Termodinamiğin İkinci Yasası

Bölüm 6
TERMODİNAMİĞİN İKİNCİ
YASASI
1
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
Amaçlar
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
2
Termodinamiğin ikinci yasasına giriş yapmak..
Termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarını birlikte sağlayan geçerli hal
değişimlerini belirlemek.
Isıl enerji depoları, tersinir ve tersinmez hal değişimleri, ısı makineleri,
soğutma makineleri ve ısı pompaları kavramlarını tanımak.
Termodinamiğin ikinci yasasının Kelvin-Planck ve Clausius ifadelerini
tanımlamak.
Devridaim makineleri kavramlarını tartışmak.
Termodinamiğin ikinci yasasını çevrimlere ve bir çevrim gerçekleştirerek
çalışan makinelere uygulamak.
Mutlak termodinamik sıcaklık ölçeğini belirlemek için ikinci yasanın
uygulanması.
Carnot çevriminin tanımlanması.
Carnot ilkelerinin, ideal Carnot ısı makinelerinin, soğutma makinelerinin
ve ısı pompalarının incelenmesi.
Tersinir ısı makineleri, ısı pompaları ve soğutma makineleri için ısıl
verimler ve etkinlik katsayıları ifadelerinin belirlenmesi.
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
TERMODİNAMİĞİN İKİNCİ YASASINA GİRİŞ
Daha soğuk bir
odada bulunan bir
fincan sıcak kahve
daha çok ısınmaz.
Çarka ısı
geçişi çarkın
dönmesini
sağlamaz.
Tele ısı geçişi
elektrik
üretimine yol
açmaz.
3
Bu işlemler birinci
kanuna
uymalarına
rağmen,
gerçekleşemezler.
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
Hal değişimleri belirli bir yönde
gerçekleşir. Ters yönde gerçekleşmez.
Bir hal değişiminin gerçekleşebilmesi için
termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarının
sağlanması zorunludur.
İKİNCİ YASANIN ESAS KULLANIMI
1. İkinci yasa hal değişimlerinin yönünü açıklayabilir.
2. İkinci yasa aynı zamanda enerjinin niceliği kadar niteliğinin de olduğunu öne
sürer. Birinci yasa, niteliğiyle ilgilenmeksizin, enerjinin niceliğiyle ve bir biçimden
diğerine dönüşümüyle ilgilidir. İkinci yasa, enerjinin niteliğinin ve bir hal değişimi
sırasında bu niteliğin nasıl azaldığının belirlenmesinin gerekli vasıtalarını sağlar.
3. Termodinamiğin ikinci yasası, yaygın olarak kullanılan ısı makineleri ve soğutma
makineleri gibi mühendislik sistemlerinin verimlerinin kuramsal sınırlarının ve
kimyasal reaksiyonların hangi oranda tamamlanacaklarının belirlenmesinde de
kullanılır.
4
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
ISIL ENERJİ DEPOLARI
Isıl enerji sığaları büyük kütleler, ısıl
enerji deposu olarak tanımlanabilir.
Isıl kaynak
ısıl enerji
sağlar, ısıl
kuyuya ısıl
enerji verilir.
•Sıcaklığında bir değişim olmaksızın, sonlu miktarda ısıyı verebilecek ya da
alabilecek büyüklükte ısıl enerji sığasına (kütle x özgül ısı) sahip cisimler ısıl enerji
deposu veya yalnızca depo olarak adlandırılır.
•Uygulamada atmosferik hava kadar, okyanuslar, göller ve akarsular gibi büyük su
kütleleri de büyük enerji depolama yetenekleri veya ısıl kütleleri nedeniyle, birer ısıl
enerji deposu olarak düşünülebilirler
5
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
ISI MAKİNELERİ
İşin tümü her
zaman ısıl
enerjiye
dönüştürülebilir,
fakat bunun
tersi doğru
değildir.
Isı makinesi aldığı
ısının bir bölümünü
işe dönüştürür, geri
kalanını düşük
sıcaklıktaki bir ısıl
kuyuya verir.
6
Makineler ısıyı işe dönüştürürler.
1.Yüksek sıcaklıktaki bir kaynaktan
(güneş enerjisi, kazanlar, nükleer
reaktörler vb.) ısı alırlar .
2.Geri kalan atık ısıyı düşük
sıcaklıktaki bir kuyuya (atmosfer,
akarsular, vb.) verirler.
3.Bir çevrim gerçekleştirerek
çalışırlar.
Isı makineleri ve bir çevrime göre
çalışan diğer makineler, çevrimi
gerçekleştirirken ısı alışverişini
yapabilecekleri ortam olarak
genellikle bir akışkan içerirler. Bu
akışkana iş akışkanı denir.
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
Bir buharlı güç santrali
Isı makinesinin yaptığı işin bir
bölümü, sürekli çalışmayı
sağlamak için çevrim içinde
kullanılır.
Qgiren= Yüksek sıcaklıktaki ısı kaynağından (kazandan) suya
geçen ısı miktarı.
Qçıkan= Yoğuşturucuda buhardan düşük sıcaklıktaki kuyuya
(atmosfer, akarsular vb.) geçen ısı miktarı.
Wçıkan= Türbinde genişlerken buhar tarafından üretilen iş miktarı.
Wgiren= Suyu kazan basıncına sıkıştırmak için gereken iş miktarı.
7
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
Isıl verim
Isı
makinesinin
genel çizimi
Bazı ısı makinelerinin verimi daha
yüksektir (aldıkları ısının daha
büyük kısmını işe dönüştürürler).
8
Verimi en yüksek ısı
makineleri bile, aldıkları
ısının neredeyse yarısını
atık ısı olarak çevreye
verirler.
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
Qçıkan Olmayabilir mi?
Bir ısı makinesi çevrimi, düşük sıcaklıktaki ısıl
kuyuya bir miktar enerji vermeden tamamlanamaz.
İdeal koşullarda olsa bile, bütün ısı
makinelerinin çevrimlerini
tamamlayabilmek için bir miktar enerjiyi
düşük sıcaklıktaki bir ısı deposuna atık
olarak vermesi gerekir.
9
Bir buharlı güç santralinin
yoğuşturucusunda, büyük
miktarlarda atık ısı
akarsulara, göllere veya
atmosfere atılmaktadır.
Bu durumda yoğuşturucu
santralden çıkarılıp söz
konusu atık ısıdan
tasarruf edilemez mi?
Bu sorunun yanıtı, ne
yazık ki kesin bir hayırdır.
Çünkü, yoğuşturucuda ısı
atılma işlemi
gerçekleşmeden çevrim
tamamlanamaz.
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
Termodinamiğin İkinci Yasası:
Kelvin-Planck İfadesi
Termodinamik bir çevrim
gerçekleştirerek çalışan bir
makinenin, yalnızca bir
kaynaktan ısı alıp net iş
üretmesi olanaksızdır.
Hiçbir ısı makinesinin ısıl verimi yüzde
100 olamaz veya bir güç santralinin
sürekli çalışabilmesi için iş akışkanının
hem kazanla, hem de çevreyle ısı
alışverişinde bulunması gerekir.
Bir ısı makinesinin yüzde 100 ısıl verime
sahip olamamasının, sürtünmeler veya
diğer kayıplardan kaynaklanmadığı
vurgulanmalıdır. Çünkü bu sınırlama
gerçek ısı makineleri kadar, ideal ısı
makineleri için de geçerlidir. .
10
İkinci yasanın Kelvin-Planck
ifadesine aykırı bir ısı makinesi.
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
SOĞUTMA MAKİNELERİ VE ISI POMPALARI
• Düşük sıcaklıklı bir ortamdan yüksek
sıcaklıklı bir ortama ısı geçişi kendiliğinden
oluşmaz ve soğutma makineleri adı verilen
özel makinelerin kullanımını gerektirir.
• Isı makineleri gibi soğutma makineleri de
bir çevrim gerçekleştirerek çalışan
makinelerdir.
• Soğutma çevriminde kullanılan iş akışkanı
soğutucu akışkan olarak adlandırılır.
• En yaygın kullanılan soğutma çevrimi,
buhar- sıkıştırmalı soğutma çevrimidir.
Bir soğutma sisteminin ana
elemanları ve tipik çalışma
koşulları.
11
Evlerde kullanılan bir buzdolabında, soğutucu akışkan
tarafından ısının alındığı dondurucu bölüm,
buharlaştırıcı işlevini görür. Buzdolabının arkasında
bulunan ve ısının soğutucu akışkandan mutfak
havasına geçmesine yarayan borular ise yoğuşturucu
olarak görev yapar.
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
Etkinlik Katsayısı
Bir soğutma makinesinin verimi, etkinlik katsayısı
ile ifade edilir ve COPSM ile gösterilir.
Soğutma makinesinin amacı, soğutulan ortamdan
ısı (QL) çekmektir.
Bir soğutma makinesinin amacı, soğutulan
ortamdan QL ısısını çekmektir.
12
COPSM ‘in değeri birden
büyük olabilir mi?
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
Isı Pompaları
Bir ısı
pompasının
amacı, ılık
ortama QH
ısısını
vermektir.
Bir ısı
pompasına
giren iş, soğuk
dış ortamdan
alınan ısıl
enerjinin, ılık iç
ortama
verilmesini
sağlar.
.
QL ve QH ‘ın sabit değerleri için
13
COPIP ‘in değeri birden
daha küçük olabilir mi?
COPIP=1 neyi gösterir?
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
• Günümüzde kullanılan ısı pompalarının mevsimlik ortalama COP
değerleri 2 ile 3 arasında değişir.
• Mevcut ısı pompalarının çoğu kışın soğuk dış havayı ısı kaynağı
olarak kullanırlar (hava-kaynaklı ısı pompaları).
• Sıcaklık donma noktasının altına düştüğünde verimleri önemli
ölçüde azalır.
• Böyle durumlarda ısı kaynağı olarak toprağı kullanan, jeotermal
(veya toprak-kaynaklı) ısı pompaları kullanılabilir.
• Kurulumları daha masraflı olmasına karşın, bu tür ısı pompalarının
verimleri daha yüksektir.
• İklimlendirme cihazları -klimalar esas olarak buzdolabından farklı
değildir. Soğuttukları ortam yiyecek bölümü yerine bir binanın bir
odasıdır.
• COP değeri, soğutma sıcaklığının düşüşüyle azalmaktadır.
• Bu nedenle gerek duyulan sıcaklıktan daha düşük sıcaklıklara
soğutma işlemi ekonomik değildir.
Ters yönde yerleştirildiğinde, bir iklimlendirme cihazı, ısı pompası gibi çalışır.
Enerji Etkinlik Oranı (EER): Tüketilen 1 Wh (watt-saat) elektrik enerjisi için, soğutulan
ortamdan çekilen ısının Btu cinsinden değeri olarak tanımlanır.
14
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
Termodinamiğin İkinci Yasası:
Clausius İfadesi
Termodinamik bir çevrim gerçekleştirerek
çalışan ve düşük sıcaklıktaki bir cisimden
aldığı ısıyı yüksek sıcaklıktaki bir cisme
aktarmak dışında hiçbir enerji etkileşiminde
bulunmayan bir makine tasarlamak
olanaksızdır.
Buzdolabının kompresörüne bir elektrik motoru
gibi herhangi bir dış güç kaynağı yoluyla iş girişi
olmadan, buzdolabının kendiliğinden
çalışamayacağı anlamına gelir.
Böylece çevrimin çevre üzerindeki net etkisi,
ısının daha soğuk bir cisimden daha sıcak olana
aktarılması yanında, iş biçiminde bir miktar enerji
tüketmesidir.
Bugüne kadar ikinci yasaya aykırı bir deney
yapılamamıştır. Bu da ikinci yasanın geçerliliğinin
yeterli bir kanıtıdır.
15
İkinci yasanın Clausius
ifadesine aykırı bir
soğutma makinesi.
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
İki İfadenin Eşanlamlılığı
Kelvin-Planck
ifadesine aykırı
bir durumun
Clausius
ifadesine de
aykırı olacağının
kanıtı.
Kelvin-Planck ve Clausius ifadeleri sonuçları bakımından birbirinin eşdeğeri
olup, her ikisi de termodinamiğin ikinci yasasının ifadesi olarak kullanılırlar.
İfadelerden birine aykırı olan herhangi bir makine veya çevrim, diğerine de
aykırıdır.
16
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
DEVİRDAİM MAKİNELERİ
Termodinamiğin birinci yasasına aykırı
Termodinamiğin ikinci yasasına aykırı
bir devridaim makinesi (DDM1).
bir devridaim makinesi (DDM2).
Devridaim makinesi : Birinci ve ikinci yasalardan herhangi birine aykırı olan
makinelerdir.
Birinci yasaya aykırı olan (yani yoktan enerji var eden) makinelere (DDM1), ikinci
yasaya aykırı makinelere de (DDM2) denir.
Devridaim makinesi yapmaya yönelik sayısız girişim olmasına karşın, bunlardan
hiçbiri başarılı olamamıştır.
Eğer bir şey gerçek olamayacak kadar iyi ise, büyük olasılıkla öyledir.
17
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
TERSİNİR VE TERSİNMEZ HAL DEĞİŞİMLERİ
Tersinir hal değişimi: Çevrede herhangi bir iz bırakmadan tersi yönde
gerçekleştirilebilen bir hal değişimi olarak tanımlanır.
Tersinmez hal değişimi: Tersinir olmayan hal değişimlerine denir.
• Doğada tersinir hal değişimlerine rastlanmaz.
• Neden tersinir hal değişimleriyle uğraşırız ?
• (1) İncelemek kolaydır ve (2) Gerçek hal değişimlerinin
karşılaştırılabileceği ideal modeller (kuramsal limitler) oluştururlar.
• Bazı hal değişimleri diğerlerine göre daha çok tersinmezdir.
• Tersinir hal değişimlerini tahmin etmeye çalışırız. Niçin?
Bilinen iki tersinir hal
değişimi.
18
En çok iş, tersinir hal değişimleri sırasında yapılır. En
az iş, tersinir hal değişimleri sırasında gerekir.
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
Tersinmezlikler
Sürtünme, bir
hal değişimini
tersinmez yapar.
(a) Sonlu
sıcaklık
farkında ısı
geçişi
tersinmezdir
(b) soğuk
ortamdan
sıcak ortama
kendiliğinden
ısı geçişi
olanaksızdır.
19
• Bir hal değişiminin
tersinmez olmasına neden
olan etkenlere
tersinmezlikler adı verilir.
• Sürtünme, dengesiz
genişleme, iki sıvının
karışması, sonlu bir sıcaklık
farkında ısı geçişi, elektrik
direnci, katıların elastik
olmayan şekil değişimleri ve
kimyasal tepkimeler bu
etkenler arasındadır.
•Bu etkenlerden herhangi
birinin varlığı, hal değişimini
tersinmez yapar.
Tersinmez
sıkıştırma ve
genişleme işlemleri.
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
İçten ve Dıştan Tersinir Hal Değişimleri
•
•
•
•
İçten tersinir hal değişimi : Hal değişimi sırasında sistemin sınırları içinde tersinmezlikler
meydana gelmiyorsa.
Dıştan tersinir hal değişimi : Sistemin sınırları dışında tersinmezlikler meydana gelmiyorsa
Tümden tersinir hal değişimi : Sistemin sınırları içinde ve ilişkide olduğu çevrede
tersinmezlikler meydana gelmiyorsa
Tümden tersinir bir hal değişiminde sonlu sıcaklık farkında ısı geçişi, sanki-dengeli olmayan
değişimler, sürtünme ve benzer olgular yoktur.
Tersinir bir hal değişiminde
sistem sınırları içinde ve dışında
tersinmezlikler yoktur.
20
Tümden ve içten tersinir ısı geçişi.
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
CARNOT ÇEVRİMİ
Carnot
çevriminin
kapalı bir
sistemde
gerçekleştirilişi.
Tersinir sabit sıcaklıkta genişleme (1-2 hal değişimi, TH=sabit)
Tersinir adyabatik genişleme (2-3 hal değişimi, sıcaklık TH’den TL’ye düşmektedir)
Tersinir sabit sıcaklıkta sıkıştırma (3-4 hal değişimi, TL=sabit)
Tersinir adyabatik sıkıştırma (4-1 hal değişimi, sıcaklık TL’den TH’ye yükselmektedir)
21
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
Carnot çevriminin P-V diyagramı.
Ters Carnot çevriminin P-V diyagramı.
Ters Carnot Çevrimi
Carnot ısı makinesi çevrimi tümden tersinir bir çevrimdir.
Onu oluşturan tüm hal değişimleri ters yönde gerçekleştirilebilir.
Bu durumda Carnot soğutma makinesi çevrimi elde edilir.
22
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
CARNOT İLKELERİ
Birinci Carnot
ilkesinin
kanıtlanması.
Carnot ilkeleri
1. Aynı iki ısıl depo arasında çalışan iki ısı makinesinden, tersinmez
olanın verimi her zaman tersinir olanın veriminden küçüktür.
2. Aynı iki ısıl depo arasında çalışan bütün tersinir ısı makinelerinin
verimleri eşittir.
23
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
TERMODİNAMİK SICAKLIK ÖLÇEĞİ
Sıcaklığı ölçmek için
kullanılan maddelerin
özeliklerinden bağımsız
olan sıcaklık ölçeğine
termodinamik sıcaklık
ölçeği adı verilir.
Bu tür bir sıcaklık ölçeği,
termodinamik hesaplarda
büyük kolaylık sağlar.
Aynı ısıl depolar
arasında çalışan tüm
tersinir ısı
makinelerinin verimi
eşittir.
24
Termodinamik sıcaklık
ölçeğini geliştirmek için
kullanılan ısı makinelerinin
düzeni.
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
Bu sıcaklık ölçeği Kelvin
ölçeği olarak adlandırılır
ve bu ölçeğe göre
sıcaklıklara mutlak
sıcaklıklar denir.
Tersinir çevrimlerde ısı
geçişi oranı QH/QL, mutlak
sıcaklık oranı TH/TL’ye
eşittir.
25
QH ve QL ölçülerek Kelvin
ölçeğinde termodinamik
sıcaklıkları belirlemeye yönelik
kavramsal deney düzeneği.
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
CARNOT ISI MAKİNESİ
Carnot ısı
makinesi,
aynı yüksek
ve düşük
sıcaklıklı ısıl
depolar
arasında
çalışan ısı
makineleri
içinde en
yüksek
verime
sahip
olanıdır.
Herhangi bir
ısı makinesi
26
Carnot ısı makinesi
Aynı yüksek ve düşük sıcaklıklı ısıl depolar
arasında çalışan ısı makinelerinden hiçbirinin
verimi, tersinir ısı makinesinin veriminden
yüksek olamaz.
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
Enerjinin Niteliği
Burada sıcaklık
için C birimi
kullanabilir
miyiz?
Kaynak sıcaklığına bağlı olarak
ısının işe dönüşme oranı.
27
Isıl enerjinin sıcaklığı ne
kadar yüksek olursa, niteliği
de o kadar yüksek olur.
Carnot ısı makinesinin ısıl verimini
nasıl arttırabilirsiniz? Gerçek ısı
makineleri için ne dersiniz?
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
CARNOT SOĞUTMA MAKİNESİ VE ISI POMPASI
Herhangi bir soğutma
makinesi veya ısı pompası
Carnot soğutma makinesi veya
ısı pompası
Hiçbir soğutma makinesi aynı sıcaklık
sınırları arasında çalışan tersinir bir
soğutma makinesinden daha yüksek
bir COP değerine sahip olamaz.
28
Carnot soğutma makinesi veya ısı
pompasının COP’ sini nasıl
arttırabilirsiniz? Gerçek olanları için ne
dersiniz?
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası
ÖZET
Birinci yasaya giriş
Isıl enerji depoları
Isı makineleri
Isıl verim
İkinci kanun: Kelvin-Planck ifadesi
Soğutma makineleri ve ısı pompaları
Etkinlik Katsayısı (COP)
İkinci kanun: Clasius ifadesi
Devridaim makineleri
Tersinir ve tersinmez hal değişimleri
Tersinmezlikler, İçten ve Dıştan tersinir hal değişimleri
Carnot çevrimi
Ters Carnot çevrimi
Carnot ilkeleri
Termodinamik sıcaklık ölçeği
Carnot ısı makineleri
Enerjinin niteliği
Carnot soğutma makinesi ve ısı pompası
29
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası